В начале 1941 года в Румынии началось стратегическое развертывание войск Оси для нападения на Советский Союз. В феврале на границу с Северной Буковиной и Бесарабией прибыло 6 румынских пехотных дивизий и кавалерийский корпус, а в мае туже было отправлено 5 румынских и 7 немецких дивизий. Всего же, в июню 41-го года у советской границы были развернуты 11-я полевая армия вермахта под командой генерала Ойгена фон Шоберта, имевшая в своем составе 8 румынских дивизий, 3-я и 4-я румынские армии (13 дивизий и 8 бригад), которые должны были действовать на южном фланге группы армий «Юг».
К этому времени Румыния имела армию численностью 1430 тысяч человек, состоявшую из 1-й, 3-й и 4-й полевых армий, 8 армейских корпусов, 1 горнострелкового и 1 кавалерийского корпусов и 35 дивизий. Войска Антонеску, оснащенные устаревшим оружием, имели 450 танков, 750 боевых и 300 учебных самолетов. В это же время Советский Союз сосредотачивал против Румынии 9-ю ударную (17 неукомплектованных дивизий – генерал Черевиченко) и 18-ю горную (8 неукомплектованных дивизий – генерал Ковпак ) армии, которые 21 июня 41-го года вошли в состав Южного фронта под командованием генерала армии Тюленева, а также Днестровскую флотилию (около 70 боевых речных кораблей и катеров).
22 июня Румыния объявила войну СССР и нанесла по го территории бомбовый удар, а через три дня Днестровская флотилия при поддержке 14-го стрелкового корпуса и 79-го погранотряда НКВД первыми атаковали противника. Утром 26 июня советские войска заняли город Киликия и захватили на румынской территории мощный плацдарм протяженностью 70 километров. Только 2 июля после тяжелых боев 11-я армия вермахта смогла выбить части РККА обратно за Днестр. 27 июля после длительных боев румынские и германские дивизии заняли Бессарабию и Северную Буковину.
Большинство политиков Румынии расценили это как возвращение отторгнутых Сталиным земель, и надеялись, что на этом война против СССР, уже стоившая стране 10 тысяч человек, и закончиться. Но Ион Антонеску, присвоив себе звание маршала, не намерен был останавливаться на достигнутом. Несмотря на протесты Маниу и Братиану, он приказ войскам продолжать наступление. 5 августа 1941 года войска Южного фронта начали отход на рубеж Чигирин—Вознесенк—Днепровский лиман, оставляя Одессу в глубоком тылу противника. Оборона города была поручена Приморской армии (3 дивизии), которой командовал генерал-лейтенант Софронов, а затем – генерал-майор Пертов.
На Одессу наступала 4-я румынская армия, которая сражалась на южном фланге группы германо-румынских войск, номинально подчинявшихся маршалу Антонеску, а на деле выполнявшей приказы командующего 11-й армии. 10 августа румыны атаковали внешний обвод укреплений Одессы и после трехдневных боев полностью окружили город. 15 августа противник попытался взять Одессу штурмом, но неся тяжелые потери, вынужден был отойти на исходные позиции.
После того, как 4-я армия была усилена 5 пехотными дивизиями, и численность была доведена до 17 дивизий, 20 августа румынское командование вновь послало свои войска на штурм Одессы. В ходе месячных боев на главном обводе 2 румынские дивизии были полностью уничтожены, но 4-я армия так и не смогла войти в город. Однако, к началу октября положение Южного фронта ухудшилось настолько, что Москва приняла решение перебросить Приморскую армию на оборону Крыма.
В течении первых двух недель армия генерала Петрова была эвакуирована в Севастополь, и только после этого румыны смогли войти в оставленную Одессу. Эта победа обошлась Антонеску в 28 тысяч убитых, 90 тысяч раненых и 14 тысяч пропавших без вести румынских солдат. Великобритания не протестовала, когда румынские войска вошли в Бесарабию и Северную Буковину, но после захвата Антонеску Одессы, Черчилль под нажимом Сталина был вынужден перейти к решительным действиям.
28 ноября 1941 года британской правительство через посольство США в Бухаресте предъявило Румынии ультиматум, требуя ее немедленного выхода из войны. Не получив ответа, 5 декабря 1941 года Лондон объявил войну Бухаресту. На следующий день шокированный этим обстоятельством Антонеску, который долгое время работал в Англии и был лично знаком с Черчиллем, выступил по национальному радио и его речь была больше похоже на оправдание. Однако, он еще не понимал, в какую ловушку загнал себя, согласившись на союз с Гитлером.